光线追踪与全局光照
光线追踪通过跟踪光线穿过场景来渲染图像，当扩展到跟踪光线在表面之间反弹时，它能计算全局光照——使合成图像看起来真实的间接照明。
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Definition
光线追踪通过使光线与场景几何体相交来计算可见性和着色，而全局光照通过模拟光线在多个表面间反弹的完整传输来求解渲染方程。
Scope
本主题涵盖用于反射、折射和阴影的递归光线追踪；作为渲染方程无偏估计器的蒙特卡洛路径追踪；重要性采样和方差缩减；以及使光线-场景相交变得可行的加速结构，例如包围盒层次结构。
Core questions
- 如何通过追踪光路来估计到达像素的辐射度？
- 如何通过蒙特卡洛积分求解渲染方程？
- 如何有效减少随机采样固有的噪声？
- 如何加速数十亿次光线-场景相交？
Key concepts
- 光线-表面相交
- 递归反射和折射
- 蒙特卡洛路径追踪
- 重要性采样
- 包围盒层次结构
- 方差和噪声
Key theories
- 递归光线追踪
- 为每个像素投射一条光线，并在每个表面命中处为反射、折射和阴影生成次级光线，从而在单一递归框架内实现镜面反射、透明度和精确的硬阴影。
- 路径追踪和渲染方程
- 通过将渲染方程解释为高维积分并用随机光路对其进行估计来获得全局光照，这是一种无偏的蒙特卡洛方法，其误差表现为图像噪声，并随着样本数量的增加而减少。
Clinical relevance
路径追踪是电影视觉效果和动画的制作标准，而硬件加速的光线追踪已将反射和全局光照引入实时游戏和设计工具中。
History
Whitted 于 1980 年引入了递归光线追踪，Kajiya 于 1986 年通过渲染方程统一了光传输，Veach 1997 年关于鲁棒蒙特卡洛估计器的工作确立了支撑现代生产路径追踪器的方差缩减技术。
Key figures
- Turner Whitted
- James Kajiya
- Eric Veach
Related topics
Seminal works
- whitted1980
- kajiya1986
- veach1997
Frequently asked questions
- 为什么路径追踪的图像在完成前看起来有颗粒感？
- 每个像素都是通过平均有限数量的随机选择的光路来估计的；样本数量少时，估计结果会有噪声，随着更多光路的累积，颗粒感会逐渐消失。
- 什么是全局光照？
- 它是光线在到达某一点之前从其他表面反弹所产生的光照贡献，产生诸如柔和阴影、表面间的色彩溢出以及焦散等效果，这些是仅直接照明无法重现的。